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ClassLoader 与 class

 
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ClassLoader一个经常出现又让很多人望而却步的词,本文将试图以最浅显易懂的方式来讲解 ClassLoader,希望能对不了解该机制的朋友起到一点点作用。

要深入了解ClassLoader,首先就要知道ClassLoader是用来干什么的,顾名思义,它就是用来加载Class文件到JVM,以供程序使用的。我们知道,java程序可以动态加载类定义,而这个动态加载的机制就是通过ClassLoader来实现的,所以可想而知ClassLoader的重要性如何。

看到这里,可能有的朋友会想到一个问题,那就是既然ClassLoader是用来加载类到JVM中的,那么ClassLoader又是如何被加载呢?难道它不是java的类?

没有错,在这里确实有一个ClassLoader不是用java语言所编写的,而是JVM实现的一部分,这个ClassLoader就是bootstrap classloader(启动类加载器),这个ClassLoader在JVM运行的时候加载java核心的API以满足java程序最基本的需求,其中就包括用户定义的ClassLoader,这里所谓的用户定义是指通过java程序实现的ClassLoader,一个是ExtClassLoader,这个ClassLoader是用来加载java的扩展API的,也就是/lib/ext中的类,一个是AppClassLoader,这个ClassLoader是用来加载用户机器上CLASSPATH设置目录中的Class的,通常在没有指定ClassLoader的情况下,程序员自定义的类就由该ClassLoader进行加载。

当运行一个程序的时候,JVM启动,运行bootstrap classloader,该ClassLoader加载java核心API(ExtClassLoader和AppClassLoader也在此时被加载),然后调用ExtClassLoader加载扩展API,最后AppClassLoader加载CLASSPATH目录下定义的Class,这就是一个程序最基本的加载流程。

上面大概讲解了一下ClassLoader的作用以及一个最基本的加载流程,接下来将讲解一下ClassLoader加载的方式,这里就不得不讲一下ClassLoader在这里使用了双亲委托模式进行类加载。

每一个自定义ClassLoader都必须继承ClassLoader这个抽象类,而每个ClassLoader都会有一个parent ClassLoader,我们可以看一下ClassLoader这个抽象类中有一个getParent()方法,这个方法用来返回当前ClassLoader的parent,注意,这个parent不是指的被继承的类,而是在实例化该ClassLoader时指定的一个ClassLoader,如果这个parent为null,那么就默认该ClassLoader的parent是bootstrap classloader,这个parent有什么用呢?

我们可以考虑这样一种情况,假设我们自定义了一个ClientDefClassLoader,我们使用这个自定义的ClassLoader加载java.lang.String,那么这里String是否会被这个ClassLoader加载呢?事实上java.lang.String这个类并不是被这个ClientDefClassLoader加载,而是由bootstrap classloader进行加载,为什么会这样?实际上这就是双亲委托模式的原因,因为在任何一个自定义ClassLoader加载一个类之前,它都会先委托它的父亲ClassLoader进行加载,只有当父亲ClassLoader无法加载成功后,才会由自己加载,在上面这个例子里,因为java.lang.String是属于java核心API的一个类,所以当使用ClientDefClassLoader加载它的时候,该ClassLoader会先委托它的父亲ClassLoader进行加载,上面讲过,当ClassLoader的parent为null时,ClassLoader的parent就是bootstrap classloader,所以在ClassLoader的最顶层就是bootstrap classloader,因此最终委托到bootstrap classloader的时候,bootstrap classloader就会返回String的Class。

我们来看一下ClassLoader中的一段源代码:

Java代码 复制代码 收藏代码
  1.    protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)   
  2. throws ClassNotFoundException   
  3.    {   
  4. // 首先检查该name指定的class是否有被加载   
  5. Class c = findLoadedClass(name);   
  6. if (c == null) {   
  7.     try {   
  8.     if (parent != null) {   
  9.         //如果parent不为null,则调用parent的loadClass进行加载   
  10.  = parent.loadClass(name, false);   
  11.     } else {   
  12.         //parent为null,则调用BootstrapClassLoader进行加载   
  13.         c = findBootstrapClass0(name);   
  14.     }   
  15.     } catch (ClassNotFoundException e) {   
  16.         //如果仍然无法加载成功,则调用自身的findClass进行加载               
  17.         c = findClass(name);   
  18.     }   
  19. }   
  20. if (resolve) {   
  21.     resolveClass(c);   
  22. }   
  23. return c;   
  24.    }  
    protected synchronized Class loadClass(String name, boolean resolve)
	throws ClassNotFoundException
    {
	// 首先检查该name指定的class是否有被加载
	Class c = findLoadedClass(name);
	if (c == null) {
	    try {
		if (parent != null) {
		    //如果parent不为null,则调用parent的loadClass进行加载
c = parent.loadClass(name, false);
		} else {
			//parent为null,则调用BootstrapClassLoader进行加载
		    c = findBootstrapClass0(name);
		}
	    } catch (ClassNotFoundException e) {
	        //如果仍然无法加载成功,则调用自身的findClass进行加载			
	        c = findClass(name);
	    }
	}
	if (resolve) {
	    resolveClass(c);
	}
	return c;
    }



从上面一段代码中,我们可以看出一个类加载的大概过程与之前我所举的例子是一样的,而我们要实现一个自定义类的时候,只需要实现findClass方法即可。

为什么要使用这种双亲委托模式呢?

第一个原因就是因为这样可以避免重复加载,当父亲已经加载了该类的时候,就没有必要子ClassLoader再加载一次。

第二个原因就是考虑到安全因素,我们试想一下,如果不使用这种委托模式,那我们就可以随时使用自定义的String来动态替代java核心api中定义类型,这样会存在非常大的安全隐患,而双亲委托的方式,就可以避免这种情况,因为String已经在启动时被加载,所以用户自定义类是无法加载一个自定义的ClassLoader。

上面对ClassLoader的加载机制进行了大概的介绍,接下来不得不在此讲解一下另外一个和ClassLoader相关的类,那就是Class类,每个被ClassLoader加载的class文件,最终都会以Class类的实例被程序员引用,我们可以把Class类当作是普通类的一个模板,JVM根据这个模板生成对应的实例,最终被程序员所使用。

我们看到在Class类中有个静态方法forName,这个方法和ClassLoader中的loadClass方法的目的一样,都是用来加载class的,但是两者在作用上却有所区别。
Class<?> loadClass(String name)
Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
我们看到上面两个方法声明,第二个方法的第二个参数是用于设置加载类的时候是否连接该类,true就连接,否则就不连接。

说到连接,不得不在此做一下解释,在JVM加载类的时候,需要经过三个步骤,装载、连接、初始化。装载就是找到相应的class文件,读入JVM,初始化就不用说了,最主要就说说连接。

连接分三步,第一步是验证class是否符合规格,第二步是准备,就是为类变量分配内存同时设置默认初始值,第三步就是解释,而这步就是可选的,根据上面loadClass方法的第二个参数来判定是否需要解释,所谓的解释根据《深入JVM》这本书的定义就是根据类中的符号引用查找相应的实体,再把符号引用替换成一个直接引用的过程。有点深奥吧,呵呵,在此就不多做解释了,想具体了解就翻翻《深入JVM吧》,呵呵,再这样一步步解释下去,那就不知道什么时候才能解释得完了。

我们再来看看那个两个参数的loadClass方法,在JAVA API 文档中,该方法的定义是protected,那也就是说该方法是被保护的,而用户真正应该使用的方法是一个参数的那个,一个参数的loadclass方法实际上就是调用了两个参数的方法,而第二个参数默认为false,因此在这里可以看出通过loadClass加载类实际上就是加载的时候并不对该类进行解释,因此也不会初始化该类。而Class类的forName方法则是相反,使用forName加载的时候就会将Class进行解释和初始化,forName也有另外一个版本的方法,可以设置是否初始化以及设置ClassLoader,在此就不多讲了。

不知道上面对这两种加载方式的解释是否足够清楚,就在此举个例子吧,例如JDBC DRIVER的加载,我们在加载JDBC驱动的时候都是使用的forName而非是ClassLoader的loadClass方法呢?我们知道,JDBC驱动是通过DriverManager,必须在DriverManager中注册,如果驱动类没有被初始化,则不能注册到DriverManager中,因此必须使用forName而不能用loadClass。

通过ClassLoader我们可以自定义类加载器,定制自己所需要的加载方式,例如从网络加载,从其他格式的文件加载等等都可以,其实ClassLoader还有很多地方没有讲到,例如ClassLoader内部的一些实现等等,本来希望能够讲得简单易懂一点,可是结果自己看回头好像感觉并不怎么样,郁闷,看来自己的文笔还是差太多了,希望能够给一些有需要的朋友一点帮助吧。

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